正交异性钢桥面板上薄层环氧聚合物铺装材料外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

正交异性钢桥面板上薄层环氧聚合物铺装材料

机械性能研究

摘要：本文主要关注薄层环氧聚合物铺装材料的疲劳相应模型，实验数据显示环氧胶粘剂与钢板之间的粘结强度受温度的影响较大。利用幂律方程建立环氧胶粘剂与钢板以及环氧聚合物混凝土的疲劳模型，合理地利用Prony级数建立环氧胶粘剂以及环氧聚合物混凝土的响应模型。建成的响应模型能用于正交异性钢桥面板上的环氧聚合物混凝土铺装层的有限元模拟分析。当模拟计算出材料的应力或应变后，便可利用疲劳模型预测出材料的使用寿命。

关键词：环氧聚合物混凝土 正交异性钢桥面板 流变响应 疲劳

1引言

由于正交异性钢桥面板具有节省材料及其他的优点，全世界许多建成的或在建的桥梁都采用这种结构。然而，正交异性钢桥面板受荷载作用易发生形变，其表面的铺装层的耐久性依然是一个难以解决的问题。据调查，加劲肋正上方的铺装层的疲劳裂纹以及铺装层和钢桥面板界面处的剪切裂纹是常见的病害。频繁的重铺装造成了巨大的花费，并且降低了桥梁网络结构的有效性。荷兰Merwedebrug大桥和中国的武汉白沙洲扬子江大桥是典型的例子。Merwedebrug大桥过去的使用情况表明沥青混凝土铺装结构平均每六年要重新铺装。在两次重铺装之间仍然需要频繁的小型维修来保持铺装层的正常使用。与荷兰Merwedebrug大桥相比，武汉白沙洲扬子江大桥铺装层的使用情况各位为糟糕，在过去是10年的时间里共进行了24次大型的维修。

为了提高Merwedebrug大桥的铺装层的耐久性，代尔伏特理工大学实施了一项大的研究项目。这个项目包括实验室测试、有限元模拟以及加速路面试验验证，主要关注摸的性能效果。武汉理工大学也开始技能型类似的研究项目，旨在演唱铺装层的使用寿命。鉴于沥青混凝土和环氧沥青混凝土铺装的成功经验，引入环氧聚合物混凝土。环氧聚合物混凝土有一系列的环氧胶粘剂和集料的撒布形成。据报道，薄层环氧聚合物混凝土铺装已成功应用于美国混凝土桥面板和钢桥面板。

本项目旨在根据中国交通和环境特点来评估薄层环氧聚合物铺装材料的性能。通过考虑行车荷载、钢桥面板与铺装层结构以及材料响应来建立有限元模型这一目的。利用材料的疲劳模型演算材料的应力或应变来预测材料的使用寿命。利用如图1所示的设计方案来优化铺装材料和铺装层厚度。在优化材料和结构之后，对有港版和铺装层结构构成的整个系统来进行验证。通过修复桥面板的铺装的誓言来进行室外实验，跟踪调查实验区域铺装层的使用情况，直到旧的铺装层需要重新铺装。

如图1所示，本文重点在于材料的测试部分。由于铺装结构研究仅包括对环氧聚合物混凝土表面的磨损问题以及铺装层与钢桥面板之间的粘结层的研究，实验室内的实验仅限于环氧聚合物混凝土和环氧胶粘剂。实验数据用于有限元模拟，因此可以测量以上两种材料的动态响应特性。为了预测使用寿命建立了环氧胶粘剂与钢板粘合以及环氧聚合物混凝土的疲劳模型。

图1研究技术路线

2实验

2.1原材料

本文中的实验所用原材料包括环氧胶粘剂和单级玄武岩骨料（2.36mm-4.75mm），所用环氧胶粘剂预期能够在钢桥面板与铺装层之间形成较强的粘结并且能够为钢结构提供良好的防水保护，这些性能使得薄层表面铺装适用于钢桥面板。与传统的沥青粘接剂相比，环氧胶粘剂是一种热固性树脂，因此环氧聚合物混凝土能够有效避免车辙以及永久变形的产生，而这恰恰是沥青路面频繁发生的典型病害。玄武岩骨料具有优良的耐磨性，使用单级骨料能使露面具有较好的路面纹理，可以预测，环氧胶粘剂与单级玄武岩骨料复合形成的材料将能为钢桥面铺装层提供良好的耐磨性、防水性和防滑性。

实验所用的环氧胶粘剂是由武汉正兴原路桥复合材料有限公司生产，它由两个组分组成：环氧树脂（环氧当量：170-180；25℃时粘度：900-1100MPa·s；25℃时密度：1.152g/cm³）和固化剂（胺值：470-593mgKOH/g；25℃时粘度：140 MPa·s；25℃时密度0.968g/cm³）。环氧胶粘剂是由环氧树脂和固化剂按体积比1:1搅拌而成。混合后，环氧胶粘剂在室温条件下的凝胶时间大约为30分钟，固化时间为3h左右。室温条件下环氧胶粘剂固化后的试样的直接拉伸强度在10MPa以上，断裂伸长率超过45%。

2.2环氧粘接剂与钢桥面的粘结性能

钢桥面板与环氧聚合物混凝土之间合适的粘接对于提高不同层间的复合作用以及整个结构的负载能力都相当重要。因此为了优化铺装层的结构设计，深入研究环氧粘接剂和钢桥面板之间的粘结性能是相当有必要的，有必要研究环氧胶粘剂的粘接强度和抗疲劳强度。本论文中对环氧胶粘剂与钢板构成的系统进行了直接拉拔实验和疲劳测试。所用试样有两个不锈钢圆柱构成，每个不锈钢圆柱的直径为25mm，高度约为50mm。

每个不锈钢圆柱底端都有螺纹，使得圆柱试样能够组装到专门设计的测试仪器上。不锈钢圆柱的另一端面表面光滑，用来与另一试样粘结。在涂环氧胶粘剂之前，不锈钢柱体表面先用砂纸仔细打磨以得到全新的粘结面。两个柱体试件的一端用一薄层环氧胶粘剂粘结在一起。粘结后的试样在室温下固化48小时后进行强度测试。
实验所用一起澳大利亚IPC公司生产的UTM-25型通用测试仪。测试以50mm/min的拉伸速度进行。测试温度从-10℃~60℃的温度范围。考虑到高温环境下发生粘结层的粘结强度急剧下降从而导致刚桥面板与铺装层之间的粘结层失效的情况可能性最大，粘结疲劳测试仅在60℃温度下进行,在控压模式下正弦波信号的荷载以5Hz的频率施加在试样上，疲劳寿命定义为粘结在一起的两圆柱试件在荷载作用下分开时的荷载循环的总次数。
2.3环氧胶的动态响应试验
环氧树脂和固化剂以体积比1:1的比例搅拌均匀制备得到环氧胶粘剂。将制备得到的环氧胶粘剂涂抹到一薄的塑料板上，在塑料板上形成一厚度约为0.5mm的薄膜。在室温下固化24h后，环氧胶粘剂固化得到环氧胶的薄板。将制得的环氧胶薄板剪成尺寸为25mmtimes;5mmtimes;0.5mm的矩形试样，用于动态响应测试，测试所用仪器为美国TA仪器有限公司公司生产的DMA 800动态分析仪。在控制应变条件下使用薄膜的受压操作模式，对试样施加小的应变振幅以确保所有的测试实在线性粘弹性区域进行。测试温度范围设置在-10℃~60℃，测试的频率范围设置在0.1Hz~100Hz。先将试样固定在DMA的夹持装置上，利用连接在DMA上的温度控制室将每个试样保温30min后进行测试。分别在不同测试设定的温度下进行频率扫描测试，输出所得的复数模量和相位角用作数据分析。
2.4环氧聚合物混凝土的动态响应和疲劳测试

通过多次涂刷环氧胶和撒布玄武岩骨料的方式制备环氧聚合物混凝土。制备过程包括重复涂刷环氧胶粘剂和撒布骨料，直到混凝土达到一定厚度，具体过程如图2所示。首先将环氧胶粘剂涂刷在基板(如图2a所示)，然后将细的玄武岩骨料撒布于环氧胶涂层（如图2b所示），在胶凝个固化后，移去表面多余的骨料（如图2c所示）后再涂刷环氧胶（如图2d所示）。每层环氧胶用量控制在1.0L/m²，骨料用量控制在5.4kg/m²。对于混凝土的上部的撒布层，环氧胶的用量为2.0L/m²，骨料用量为7.6kg/m²。重复以上操作直到环氧聚合物混凝土层厚度达到预定值。
本文通过四点弯曲实验和三点弯曲实验设备来分别进行环氧聚合物混凝土的动态响应和疲劳测试。四点弯曲实验所用标准杆件尺寸为380mmtimes;63.5mmtimes;

50mm（长times;宽times;高）。三点弯曲试验所用杆件尺寸更小，为250mmtimes;30mmtimes;

35mm（长times;宽times;高）。以上杆件均由环氧聚合物混凝土板切割得到。
由于材料耐疲劳强度较高，实验室的UTM仪所能施加荷载的能力有限，四点弯曲试验的设备主要用于沥青混凝土材料，不能很好的对环氧聚合物混凝土进行疲劳测试，由于这个原因，选择通过三点弯曲试验来进行疲劳测试。在压力控制模式下试样施加正弦波信号的荷载压力，试验荷载的频率设为5Hz。考虑到桥梁面板表面的使用情况受环境温度影响较大，并且疲劳主要发生在低温环境下，疲劳测试的温度定为:（1）代表相对低温-10℃，此温度下极可能发生疲劳破坏或脆性断裂；（2）代表年平均气温10℃，此温度下测试材料一般条件下的性能；（3）代表冬季平均气温0℃，此温度适用于寒冷地区的使用情况。
疲劳测试在同一温度下对试样施加不同的应力水平。所选用的应力水平是基于所谓的应力比，即在同一温度时循环应力下疲劳破坏时的弯折强度与单调应力下的弯折强度之比。单调应力破坏试验即在控制拉伸模式下以50mm/min的拉伸速率进行拉伸。疲劳寿命定义为循环疲劳测试中试件破坏时应力循环的次数。

图2环氧聚合物混凝土的制备过程

3.结果与讨论
3.1弯折强度与疲劳
图3给出了环氧胶粘剂与钢板在不同温度下的粘结强度。如图所示，粘结强度受温度的影响较大，随着温度上升，粘结强度急剧下降。例如，在-10℃时的粘结强度是16.8MPa，而在10℃时粘结强度只有1.3MPa。为了解释温度对粘结强度的影响，用一个二项式拟合所得数据，拟合的结果与实验数据吻合很好。
y=-0.0023x²-0.1044x 15.826 R²=0.9986 (1) 式中y代表粘结强度，单位为MPa；x代表温度，单位为℃。

图3环氧胶粘剂与钢板在不同温度下的粘结强度

所得数据通过与环氧薄板实际所受应力相比较，可以验证拟合所得结果。线性回归的结果为k=27.889，n=4.584，R2=0.95。对于层间粘结层失效，所建成的疲劳模型可用于预测使用寿命。
图4显示的是环氧胶与钢板在60℃时的粘结疲劳测试的结果。如图所示，疲劳破坏时的循环次数（取对数）与所加应力(取对数)成线性关系，可以用幂次方程对其进行拟合:
N=k₀*sigma;_t^-n (2) 式中N代表破坏时的应力循环次数，也就是疲劳寿命；sigma;代表所施加的压应力，单位为MPa；k和n是模型系数。

图4环氧胶与钢板在60℃时的粘结疲劳测试的结果
3.2环氧粘接剂的响应模型
图5显示了环氧胶的复数模量和相位角的动态响应的测试数据。利用温度-时间叠加原理建立主曲线，所指定温度定为10℃。根据10℃下所测数据转换其他温度下的试验数据从而得到平滑的曲线转化因子用WLF公式表示:
(3)
式中a是转换因子，T0为指定温度(单位为K)，T表示测试温度(单位为K)，C₁和C₂为模型系数。
拟合结果如下:C₁=45.0，C₂=191.5，R²=1.00。
主曲线显示材料的流变响应受频率和温度两个因素的影响很大，降低频率或者升高温度都会造成复数模量的下降。然而频率对相位角的影响则不同。在角频率为10^-7rad/s(对应于40℃)处存在一个峰值，这意味着固体状态发生了一个关键的变化。
大多数的有限元堆积线性粘弹模型都是用Prony级数来研究的:
(4)
式中E(t)是松弛模量，E₀是瞬时模量，和是模型系数。

图5环氧胶的复数模量和相位角的动态响应的测试数据精确度

模型系数可以由松弛测试和动态测试决定。当获得了动态频率的数据后，Prony级数可以由以下方程确定:

(5)

(6)
式中Ersquo;和E'分别表示储能模量和损耗模量；w表示角频率，单位为rad/s。
此外，储能模量E、损耗模量E'、复数模量E^*以及相位角之间具有如下关系:
(7)
(8)
由以上方程可知不同频率下的复数模量和相位角可以由给定的Prony级数得出，意味着模型系数可以通过拟合主曲线的测试数据得到，拟合的结果如表1所示。通过比较测量值和预测值可得出模型拟合的精确度，如图5所示。由图可知，复数模量的预测值与实验值具有可比性。至于相位角，除了靠近10-7Hz的很窄的区间范围以外，在其他的频率范围内模型拟合的结果都还可以接受。以上显示在考虑较宽频率范围时Prony级数的局限性。

3.3环氧聚合物混凝土的响应和疲劳模型
以下环氧聚合物混凝土的响应的研究方法同上文研究环氧胶粘剂的方法相同。图6显示了复试模量和相位角的主曲线，同样，主曲线表示的是10℃时的情况。用

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[152159]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word